冀北凤山盆地白垩系九佛堂组页岩气成藏潜力研究

路魏魏，高 亮，上官拴通，张国斌，田兰兰，李英英

(河北省煤田地质局第二地质队，河北 邢台 054000)

0 引言

页岩气是重要的非常规天然气能源，是指从黑色泥页岩或炭质泥岩地层中开采出来的天然气[1]。2011年，国土资源部开展了“全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选”项目，评价河北省页岩气地质资源潜力为1.39×1012m3，页岩气资源较为丰富[2]。为推动河北省页岩气的勘探开发，改善京津冀地区能源供给结构，河北省煤田地质局相继组织开展了一系列页岩气基础评价工作[3-5]，以元古界洪水庄组和下马岭组、古生界太原组和山西组、新生界孔店组和沙河街组等为主要目的层，对储层物性特征及源岩有机地化特征进行了研究，进行区块优选和资源量远景预测，并针对有利区开展页岩气选区精细评价和先期开发区域条件研究，为在全省范围内开展页岩气勘查工作奠定了基础。整体来看，河北省页岩气勘查工作尚处于起步阶段，现有研究成果多集中在平原区，对于冀北地区研究较少，而冀北承德地区发育的中生代陆相断陷盆内白垩系富有机质泥页岩沉积厚度大，具备页岩气成藏的物质基础，可作为河北省页岩气勘查的重点目标。

以冀北承德地区凤山盆地以往钻井资料和相关测试数据为基础，重点分析了白垩系九佛堂组页岩气成藏的地质条件，初步探讨了凤山盆地页岩气成藏潜力。

1 凤山盆地概况

凤山盆地位于河北省承德市丰宁县境内，东西长约15km，南北宽约10km，面积约为150km2[6]。与冀北地区中生代断陷盆地类似，凤山盆地构造演化大致经历了4个阶段：挤压挠曲盆地发育阶段(三叠纪一早侏罗世)、类前陆盆地发育阶段(中晚侏罗世)、断陷盆地发育阶段(晚侏罗世一早白垩世)和裂谷盆地发育阶段(晚白垩世)[7]。

凤山盆地发育的地层自老而新主要为：太古界变质岩、中生界侏罗系、白垩系及新生界第四系(表1)，其中白垩系九佛堂组沉积有富有机质页岩，多口钻井见油气显示，具备页岩气勘查的潜力。

表1 凤山盆地地层特征

2 凤山盆地页岩气地质条件

2.1 构造特征

凤山盆地整体表现为一倾向北西的单斜构造，倾角20°～30°，北部边缘有控盆构造—白石砬正断层，断层走向近于东西，南倾，倾角约65°。西部边缘第四系直接不整合于太古界变质基底之上，推测为一条近南北走向的正断层导致，盆地内岩浆活动较微弱，仅在西北有一岩浆岩岩盆侵入于底部砾岩中，由石英斑岩、流纹岩、安山岩组成。总体来看，盆地褶皱及断裂较为不发育(图1)，构造较为简单。

1.全新统；2.上更新统；3.白垩系九佛堂组；4.白垩系大北沟组；5.白垩系张家口组；6.侏罗系土城子组；7.太古界红旗营子岩群；8.燕山旋回花岗岩；9.海西旋回闪长岩；10.吕梁旋回闪长岩；11.五台旋回斑状混合岩；12.地质剖面线；13.正断层；14.逆断层；15.地质界线图1 凤山盆地地质简图Figure 1 Geological sketch map of Fengshan Basin

2.2 沉积特征

凤山盆地早白垩世主要发育张家口组、大北沟组和九佛堂组。关于凤山盆地沉积演化的研究显示[6,8]，在张家口组火山岩喷发后，进入断陷阶段，接受上覆地层碎屑岩沉积。大北沟组沉积早期，受火山活动影响仍形成火山碎屑岩，晚期受盆地边界断层控制，沉积了分布不广的河流相砂砾岩和浅湖相泥岩。九佛堂组沉积时期，受边缘断层活动的影响，盆地迅速下降，盆地内汇入了大量的水，在盆地西部和北部发育冲积扇和扇三角洲相，并在盆地中心形成深水湖泊的细粒沉积物，在沉积同时生物大量繁殖，其中以藻类为主，死亡后沉积到湖底。到晚期地壳上升，湖盆开始萎缩，区域上大规模的湖泊沉积作用趋于停止。盆地周缘地层遭受剥蚀，形成了冲积扇砾岩、砂砾岩。随后上覆堆积物隔绝了外部的氧气，使湖盆内生物遗骸在缺氧还原的环境下，受到各类厌氧细菌的作用生成腐泥质，有机质发生还原和分解作用，生成干酪根，从而具备了页岩气沉积的成藏背景。

2.3 页岩层系的展布特征及厚度变化

凤山盆地页岩层系主要赋存于白垩系九佛堂组，砂质页岩与暗色泥页岩共生。以往油页岩勘查施工中按其岩石表观特征将九佛堂组划分为七个层位(图2和图3)，自下而上分别为底部砾岩层(K1j1)、下部砂页岩层(K1j2)、下部油页岩层(K1j3)、中部砂页岩层(K1j4)、上部油页岩层(K1j5)、上部砂页岩层(K1j6)和顶部砾岩层(K1j7)，钻探揭露上部油页岩层、中部砂页岩层和下部油页岩层后出现涌气，是寻找页岩气藏的有利储层。

图2 凤山盆地九佛堂组柱状示意图Figure 2 A schematic column of Jiufotang Formationin Fengshan Basin

以往油页岩勘查中，有18口井揭露九佛堂组底部砾岩层， 但均未钻穿。 基于上述钻井资料绘制了九佛堂组下部砂页岩层(K1j2)底界埋深等值线图(图4)和页岩层系(K1j2-6)厚度等值线图(图5)。从平面上可以看出，凤山盆地九佛堂组页岩层系底界埋深0～1 300m，自南东向北西逐渐变深；页岩层系厚度0～1 000m，变化趋势与展布特征基本一致。因全区尚未开展过专门页岩气勘查工作，故对富有机质页岩层段赋存分布情况尚不清楚，但从K1j3+5(上部油页岩层+下部油页岩层)厚度等值线图(图6)可以看出，盆地内暗色页岩发育，厚度为0～350m，满足页岩气成藏的物质基础。

1.第四系；2.白垩系九佛堂组；3.白垩系大北沟组；4.白垩系张家口组；5.侏罗系土城子组；6.太古界红旗营子岩群；7.五台旋回斑状混合岩；8.以往钻孔及孔深；9.整合地层界线；10.平行不整合地层界线；11.角度不整合地层界线；12.断层图3 A-A′ 地质剖面图Figure 3 A-A′ geological section

1.钻孔及K1j2底界埋深/m；2.九佛堂组露头； 3.九佛堂组隐伏露头；4.断层；5.K1j2底界埋深等值线图4 凤山盆地K1j2底界埋深等值线图Figure 4 Isogram of K1j2 bottom buried depths in Fengshan Basin

1.钻孔及K1j2-6地层厚度/m； 2.断层；3.K1j2-6厚度等值线；4.K1j2-6厚度零点线图5 凤山盆地K1j2-6厚度等值线图Figure 5 Isopach map of K1j2-6 in Fengshan Basin

1.钻孔及K1j3+5地层厚度/m； 2.断层；3.K1j3+5厚度等值线；4.K1j3+5厚度零点线图6 凤山盆地K1j3+5厚度等值线图Figure 6 Isopach map of K1j3+5 in Fengshan Basin

2.4 地化特征

2.4.1 有机碳含量(TOC)

有机碳含量(TOC)决定了页岩的生烃能力和储集空间的大小，并与页岩的吸附能力存在着良好的正相关性，对富有机质页岩的含气量起着决定性作用[9-10]。凤山盆地Z1井九佛堂组中部砂页岩层和下部油页岩层(深度265～465m)有机质页岩样品(以下简称“Z1井样品”)的测试结果显示，有机碳含量1.7%～5.1%，平均为4.12%[11]，符合中国湖相页岩气有利层段/区TOC大于1.0%的标准[12]。

2.4.2 有机质成熟度(Ro)和类型

页岩气几乎覆盖了所有有机成因的生气类型，包括生物气、热解气、低熟-未熟气、原油裂解气以及沥青生气等，这表明页岩气的形成对有机质成熟度的要求并不是十分严格，页岩的成熟度很高(Ro>2.0%)或者很低(Ro<1.0%)均可以形成具商业开发规模的页岩气藏[13-14]。北美产气页岩成熟度Ro为0.4%～4.0%，也表明有机质向烃类转换的整个过程都可以形成页岩气[15]。Z1井样品测试结果显示，有机质成熟度0.51%～0.71%，平均为0.62%，有机质类型以Ⅱ型为主，少量Ⅰ型和Ⅲ型[11]，处于低成熟演化阶段，可以形成以生物成因气为主的页岩气藏。

2.5 页岩的储集空间及矿物特征

富有机质页岩总含气量随着孔隙度的增加而增大，二者具有明显的线性关系[16]。Z1井样品测试资料显示[11]，下部油页岩层孔隙度0.03%～2.4%，平均为0.7%，中部砂页岩层孔隙度4.1%～12.8%，平均为9.6%，与规范[12]中基本要求>2%相比，下部油页岩层储集能力偏低，中部砂页岩层储集能力较好。凤山盆地九佛堂组页岩层系整体表现为泥页岩、油页岩、砂质页岩互层，其中砂质页岩层可为页岩气提供充足的储集空间；此外，页岩矿物组分显示脆性矿物含量(石英、长石、碳酸盐岩、黄铁矿等)>50%，岩石脆性矿物含量高，在压裂作用下易形成天然裂缝和诱导裂缝，从而有利于页岩气的开采[17]。

2.6 页岩层系含气显示

以往油页岩勘查过程中，凤山盆地白垩系九佛堂组具有良好的含气显示，气体可燃呈黄色火焰，见于盆地大部分钻孔。资料显示C4井钻至孔深375m出现涌气现象，涌气量约193.51m3/d，C10井钻至孔深480m出现涌气现象，涌气量约150.51m3/d[18]，两井气体甲烷含量均大于80%(表2)。从深度上和层位上看，两井所揭露应为不同气层。

表2 凤山盆地涌气钻孔气体成分

2018年4月，基于凤山幅、太平庄幅1∶5万区调资料，笔者及同事对凤山盆地进行了野外调查，了解盆地内主要地层特征，重点观察了白垩系九佛堂组露头岩性、产状等，露头新鲜面岩性以暗色泥页岩、砂页岩为主，沉积厚度大(图7)。调查过程中发现1口油页岩勘查遗留钻井，未封井原因不详，村民介绍该井自60年代至今一直自流，并伴随大量气泡，未曾间断，气体具有可燃性，现场点火成功(图8)，这也为盆地存在一定的页岩气潜力提供了直接证据。

图7 凤山盆地白垩系九佛堂组露头Figure 7 Jiufotang outcrop in Cretaceous system from Mountain Feng basin

(a)大量气泡涌出 (b)气体成功点火图8 调查发现钻井现场Figure 8 drilling site of the survey

3 凤山盆地页岩气成藏潜力探讨

中国东部陆相断陷盆地页岩气成藏具有储层总厚度大、TOC含量高、有机质成熟度适中3项有利条件和横向厚度变化大、储集能力偏低和储层可改造性偏差3项不利条件[19]。与之相比，凤山盆地页岩气地质条件具有自身独特的特征，通过分析现有资料，认为凤山盆地页岩气成藏具有面积偏小和埋深较浅的不利因素，但也具有页岩层系总厚度大特点，具有形成页岩气藏的物质基础，凤山盆地褶皱及断裂均不发育，推测其保存条件较好，盆内九佛堂组上覆第四系覆盖层厚度虽小，但其上部砂页岩层厚度较大，砂质页岩与泥页岩互层，频繁交替的致密泥质岩可作为良好的盖层。另外，钻井良好的含气显示及遗留老井的连续涌气等直接证据，推断该盆地内九佛堂组存在一定的页岩气勘探潜力，但目前盆内尚未开展过专门页岩气勘查工作，建议针对全区开展页岩气调查评价工作，重点了解富有机质页岩地化指标、物性参数、矿物组成和含气性的平面展布特征及纵向变化特征，进一步落实该区页岩气的勘探潜力。

4 结论与讨论

①凤山盆地富有机质页岩主要发育在白垩系九佛堂组中部，以湖相沉积为主，具备页岩气形成的地质背景。

②盆内尚未开展过专门页岩气勘查工作，但已有资料证实九佛堂组页岩层系总厚度大，且暗色页岩发育，厚度为0～350m，具有形成页岩气藏的物质基础，良好的含气显示提供了直接证据。

③目前，河北省页岩气勘查研究工作刚刚起步，尚未取得突破性进展，冀北承德地区中生代断陷盆地沉积环境多与凤山盆地类似，白垩系富有机质页岩沉积厚度大，且在大阁盆地和围场清泉盆地油页岩钻孔亦有涌气显示，可将该页岩层系作为页岩气勘查突破的新方向。